第九章 状态空间分析方法 matlab simulink与控制系统仿真 第三版 课件
matlab状态空间表达式的解
标题：MATLAB状态空间表达式的解析一、概述MATLAB是一种非常常用的数学软件，用于分析、设计和模拟动态系统。
在控制系统理论中，状态空间表达式是描述线性系统动态行为的重要方法。
本文旨在介绍如何使用MATLAB对状态空间表达式进行解析和分析。
二、状态空间表达式简介状态空间表达式是一种描述线性时不变系统的数学模型。
通常由状态方程和输出方程组成。
状态方程描述了系统的演化规律，而输出方程则描述了系统状态和输出之间的关系。
三、MATLAB中的状态空间表示在MATLAB中，状态空间表示可以使用ss函数进行表达。
该函数的输入参数包括系统的状态方程系数矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C 和前馈矩阵D。
四、求解状态空间表达式1. 稳态响应分析在MATLAB中，可以使用sys = ss(A,B,C,D)定义一个状态空间模型，然后使用step(sys)绘制系统的阶跃响应曲线。
通过阶跃响应曲线可以分析系统的稳态性能。
2. 传递函数表示使用tf(sys)可以将状态空间表示转换为传递函数表示，这样可以更方便地分析系统的特性。
3. 稳定性分析使用eig(A)可以计算状态方程系数矩阵A的特征值，从而判断系统的稳定性。
如果系统的所有特征值都是负实数，那么系统是稳定的。
4. 频域特性分析使用bode(sys)可以绘制系统的频率响应曲线，这样可以分析系统在不同频率下的特性。
五、应用实例以电机控制系统为例，假设系统的状态空间表达式为：A = [-2 -1; 3 -4]B = [1; 0]C = [0 1]D = [0]可以使用以下代码在MATLAB中求解该系统：sys = ss(A,B,C,D)step(sys)tf_sys = tf(sys)eig(A)bode(sys)六、结语本文介绍了MATLAB中状态空间表达式的解析方法，并以电机控制系统为例进行了说明。
希望本文能够帮助读者更好地理解和应用状态空间表达式在MATLAB中的求解方法。
《Simulink与控制系统仿真(第3版)》的课件 线性系统状态空间分析和非线性系统分析
11.2 非线性系统概述
含有非线性元件或环节的系统称为非线性系统。非线性特性包括 许多类型，典型的静态非线性特性包括死区非线性、饱和非线性、 间隙非线性和继电非线性。
采用MATLAB绘制相轨迹图
绘制相轨迹图的实质是求解微分方程的解。求解微分方程数 值解的算法有多种，MATLAB提供了求解微分方程的函数组， 常用的有ode45，它采用的计算方法是变步长的龙格-库塔4/5 阶算法。 ode45()常用的调用格式如下： [t, y]=ode45(odefun, tspan, y0) 在用户自己编写的MATLAB函数中既可以描述线性系统特性， 也可以描述非线性系统特性。
Relay：继电非线性； Saturation：饱和非线性； Saturation Dynamic：动态饱和非 线性；
Wrap To Zero：环零非线性。
11.3 相平面法
应用相平面法分析一阶尤其是二阶非线性控制系统，弄清非线性系统的稳定 性、稳定域等基本属性以及解释极限环等特殊现象，具有非常直观形象的效 果。 由于绘制二维以上的相轨迹十分困难，因此相平面法对于二阶以上的系统几 乎无能为力，这是相平面法的局限。
11.2.3 Simulink中的非线性模块
Backlash：间隙非线性； Coulomb&Viscous Friction：库仑 和黏度摩擦非线性；
Dead Zone：死区非线性； Dead Zone Dynamic：动态死区 非线性；
Hit Crossing：冲击非线性； Quantizer：量化非线性； Rate Limiter：比例限制非线性； Rate Limiter Dynamic：动态比例 限制非线性；
Matlab系列之Simulink仿真教程
交互式仿真
Simulink支持交互式 仿真，用户可以在仿 真运行过程中进行实 时的分析和调试。
可扩展性
Simulink具有开放式 架构，可以与其他 MATLAB工具箱无缝 集成，从而扩展其功 能。
Simulink的应用领域
指数运算模块
用于实现信号的指数运算。
减法器
用于实现两个信号的减法 运算。
除法器
用于实现两个信号的除法 运算。
对数运算模块
用于实现信号的对数运算。
输出模块
模拟输出模块
用于将模拟信号输出 到外部设备或传感器。
数字输出模块
用于将数字信号输出 到外部设备或传感器。
频谱分析仪
用于分析信号的频谱 特性。
波形显示器
控制工程
Simulink在控制工程领域 中应用广泛，可用于设计 和分析各种控制系统。
信号处理
Simulink中的信号处理模 块可用于实现各种信号处 理算法，如滤波器设计、 频谱分析等。
通信系统
Simulink可以用于设计和 仿真通信系统，如调制解 调、信道编码等。
图像处理
Simulink中的图像处理模 块可用于实现各种图像处 理算法，如图像滤波、边 缘检测等。
用于将时域信号转换为频域信号，如傅里叶变换、 拉普拉斯变换等。
03 时域变换模块
用于将频域信号转换为时域信号，如逆傅里叶变 换、逆拉普拉斯变换等。
04
仿真过程设置
仿真时间的设置
仿真起始时间
设置仿真的起始时间，通 常为0秒。
步长模式
选择固定步长或变步长模 式，以满足不同的仿真需 求。
MATLAB自动控制系统仿真simulink
目录1 绪论 (1)1.1 题目背景、研究意义 (1)1.2 国内外相关研究情况 (1)2 自动控制概述 (3)2.1 自动控制概念 (3)2.2 自动控制系统的分类 (4)2.3 对控制系统的性能要求 (5)2.4 典型环节 (6)3 MATLAB仿真软件的应用 (10)3.1 MATLAB的基本介绍 (10)3.2 MATLAB的仿真 (10)3.3 控制系统的动态仿真 (11)4 自动控制系统仿真 (14)4.1 直线一级倒立摆系统的建模及仿真 (14)4.1.1 系统组成 (14)4.1.2 模型的建立 (14)4.1.3 PID控制器的设计 (20)4.1.4 PID控制器MATLAB仿真 (22)4.2 三容水箱的建模及仿真 (24)4.2.1 建立三容水箱的数学模型 (24)4.2.2 系统校正 (25)总结 (28)致谢 (29)参考文献 (30)1 绪论1.1 题目背景、研究意义MATLAB语言是当今国际控制界最为流行的控制系统计算机辅助设计语言，它的出现为控制系统的计算机辅助分析和设计带来了全新的手段。
其中图形交互式的模型输入计算机仿真环境SIMULINK，为MATLAB应用的进一步推广起到了积极的推动作用。
现在，MATLAB语言已经风靡全世界，成为控制系统CAD领域最普及、也是最受欢迎的软件环境。
随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。
不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，成为现代社会生活中不可缺少的一部分。
随着时代进步和人们生活水平的提高，在人类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，自动控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。
作为一个工程技术人员，了解和掌握自动控制的有关知识是十分必要的。
自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。
学习使用MATLABSimulink进行系统仿真
学习使用MATLABSimulink进行系统仿真【第一章：引言】在如今数字化时代，仿真已成为系统设计与优化的重要工具。
系统仿真能够帮助工程师在产品开发的早期阶段快速验证设计，预测产品性能，并提供有关系统行为的深入洞察。
由于其易用性和广泛应用领域，MATLABSimulink成为了工程界最受欢迎的仿真工具之一。
本文将介绍如何学习使用MATLABSimulink进行系统仿真，并强调其专业性。
【第二章：MATLABSimulink概览】MATLABSimulink是一个具有图形化界面的仿真环境，可用于建模、仿真和分析各种复杂动态系统。
它使用块状图形表示系统的组成部分，并通过连接输入和输出端口模拟系统的行为。
用户可以通过简单拖拽和连接块状元件来构建仿真模型，并通过调整参数和设置仿真参数来进行模拟分析。
【第三章：基本建模技巧】在使用MATLABSimulink进行系统仿真之前，掌握基本的建模技巧至关重要。
首先，需要熟悉各种块状元件的功能和用途，例如传感器、执行器、逻辑运算器等。
其次，理解信号流和数据流的概念，以及如何在模型中正确地引导信号传递和数据流动。
最后，学习使用条件语句、循环语句等控制结构来实现特定的仿真逻辑。
【第四章：系统模型的构建】在使用MATLABSimulink进行系统仿真时，首先需要根据实际系统的需求和特点进行系统模型的构建。
这包括确定系统的输入和输出，以及分析系统的功能和性能要求。
然后，使用块状元件将系统的各个组成部分建模，并建立各个组件之间的联系和依赖关系。
在构建模型的过程中，要注意选择恰当的块状元件和参数设置，以确保模型的合理性和可靠性。
【第五章：仿真参数设置与分析】为了获得准确且可靠的仿真结果，需要合理设置仿真参数。
常见的仿真参数包括仿真时间、步长和求解器类型等。
仿真时间应根据系统的实际运行时间确定，步长要足够小以保证仿真的精度，而求解器类型则根据系统的特点选择。
完成仿真后，还需要对仿真结果进行分析，以评估系统的性能和进行优化调整。
MATLABSimulink与控制系统仿真(第3版)
2.3 MATL AB桌 面操作环境
2.4 M AT L A B 数值计算
2.5 关系 运算和逻 辑运算
2.6 符 号运算
2 MATLAB计算基础
2.7 复数 和复变函 数运算
2.8 M AT L A B 常用绘图 命令
2.9 M AT L A B 程序设计
2.2.1 MATLAB发展历程
2.2.3 MATLAB常用工具箱
B
2.7.3 Z变换及其 反变换
C
2 MATLAB计算基础
2.7 复数和复变函数运算
2.9.1 MATLAB程序类型
2.9.3 MATLAB程序基本设 计原则
2 MATLAB计算基础
2.9 MATLAB程序设计
2.9.2 MATLAB程序流程控 制
05
ONE
3 SimulinLeabharlann 仿真3 Simulink仿真
1.5 MATLAB/Simulink 下的控制系统仿真
https:///
1
1.5.1 MATLAB适合控制系统 仿真的特点
2
1.5.2 Simulink适合控制系统 仿真的特点
04
ONE
2 MATLAB计算基础
2 MATL AB计算基础
2.1 引 言
2.2 M AT L A B概述
4.5 MATLAB/Simulink 在模型中的应用
4.2 动态过程微分方程描 述
4.4 数学模型描述
4.6 系统模型转换及连接
4 控制系统数学模型
4.7 非线性数学模型的线 性化
4.8 综合实例及 MATLAB/Simulink应用
4 控制系统数学模型
4.4.1 传递函 数模型
MATLABSimulink控制系统建模最全资料
MATLABSimulink控制系统建模最全资料Simulink 控制系统建模dSPACE 的软件环境主要由两⼤部分组成，⼀部分是实时代码的⽣成和下载软件RTI （Real Time Interface ），它是连接dSPACE 实时系统与MA TLAB/Simulink 的纽带，通过对RTW （Real time workshop ）进⾏扩展，可以实现从Simulink 模型到dSPACE 实时硬件代码的⾃动下载。
另⼀部分为测试软件，其中包含了综合实验与测试环境ControlDesk 、⾃动试验及参数调整软件MLIB/MTRACE 、PC 与实时处理器通信软件CLIB 以及实时动画软件RealMotion 等。
连续模块库(Continuous)在连续模块(Continuous)库中包括了常见的连续模块，这些模块如图所⽰。
1. 积分模块(Integrator)：功能：对输⼊变量进⾏积分。
说明：模块的输⼊可以是标量，也可以是⽮量；输⼊信号的维数必须与输⼊信号保持⼀致。
2. 微分模块(Derivative)功能：通过计算差分?u/ ?t 近似计算输⼊变量的微分。
3. 线性状态空间模块(State-Space)功能：⽤于实现以下数学⽅程描述的系统：+=+=Du Cx y Bu Ax x '4. 传递函数模块(Transfer Fcn)功能：⽤执⾏⼀个线性传递函数。
5. 零极点传递函数模块(Zero-Pole)功能：⽤于建⽴⼀个预先指定的零点、极点，并⽤延迟算⼦s 表⽰的连续。
6．存储器模块(Memory)功能：保持输出前⼀步的输⼊值。
7．传输延迟模块(Transport Delay)功能：⽤于将输⼊端的信号延迟指定的时间后再传输给输出信号。
8．可变传输延迟模块(Variable Transport Delay)功能：⽤于将输⼊端的信号进⾏可变时间的延迟。
离散模块库(Discrete)离散模块库(Discrete)主要⽤于建⽴离散采样的系统模型，包括的主要模块，如图所⽰。
实验三利用MATLAB求取状态空间模型的相似变换及其标准型、控制系统的不同状态模型实现
现代控制理论第一次上机实验报告实验三 利用MATLAB 求取状态空间模型的相似变换及其标准型、控制系统的不同状态模型实现实验目的：1、通过实验掌握线性系统的对角线标准型、约旦标准型、模态标准型以及伴随矩阵标准型的表示及相应变换阵的求解；2、通过编程、上机调试，掌握系统可控性和可观测性的判别方法、系统的可控性和可观测性分解等；3、加深理解由控制系统传递函数建立能控、能观、约当标准型等不同状态模型的方法。
实验要求：1．实现同一系统传递函数的状态模型是唯一的吗？2．系统传递函数除上面三种不同状态模型实现外，常见的还有串连实现，对否？ 3．对于上述系统传递函数，其输出稳态值与输入阶跃信号幅值有何关系？ 实验步骤：1. 根据所给系统的已知条件（可自行参阅选择刘豹教材中的例题或习题），如传递函数、零极点模型或（A 、B 、C 、D ），实现状态空间模型之间的相似变换、写出其对角线标准型、约当标准型、模态标准型以及伴随矩阵标准型的表示及求解相应变换阵，采用MATLAB 的相关函数编写m-文件。
已知系统的传递函数如下：3211()(1)( 2.5)(5)8.52012.5160.270.11 2.55G s s s s s s s s s s ==++++++-=+++++运行如下m-文件，得到传递函数的状态空间模型： num=[0 0 0 1]; den=[1 8.5 20 12.5]; [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) 得到 A =-8.5000 -20.0000 -12.5000 1.0000 0 0 0 1.0000 0 B = 1 0 0 C =D =因此，传递函数的一个状态空间实现是G=ss(A,B,C,D);(1)对角线标准型：计算矩阵A的特征值及与特征值对应的对角型变换矩阵D的m-如下：[V,D]=eig(A)[V,D]=eig(A)V =-0.9798 0.9184 0.57740.1960 -0.3674 -0.5774-0.0392 0.1469 0.5774D =-5.0000 0 00 -2.5000 00 0 -1.0000由对角线标准型的变换阵D，运行下列m-文件的到对角线标准型矩阵系数：G1=ss2ss(G,D)a =x1 x2 x3x1 -8.5 -40 -62.5x2 0.5 0 0x3 0 0.4 0b =u1x1 -5x2 0x3 0c =x1 x2 x3d =u1y1 0Continuous-time model.由上可得，对角线标准型：对角型变换矩阵为：(2)约旦标准型：计算矩阵A变换为约当标准型J，并得到变换矩阵V，运行下列m-文件：>> [V,J]=jordan(A)V =2.5000 -1.6667 0.1667-0.5000 0.6667 -0.16670.1000 -0.2667 0.1667J =-5.0000 0 00 -2.5000 00 0 -1.0000根据得到的约当标准型的变换矩阵V，运行下列文件得到约当标准型的矩阵系数：G1=ss2ss(G,V)a =x1 x2 x3x1 -104 -613.6 -697.1x2 21 123.1 139.6x3 -4.2 -24.28 -27.58b =u1x1 2.5x2 -0.5x3 0.1c =x1 x2 x3y1 1 7.5 12.5d =u1y1 0Continuous-time model由上可得，约旦标准型：约旦标准型的变换矩阵为：(3)模态标准型运行以下m-程序可得到模态标准型系数矩阵和其变换矩阵：>> [G1,V]=canon(G,'modal')a =x1 x2 x3x1 -5 0 0x2 0 -2.5 0x3 0 0 -1b =u1x1 -0.825x2 -0.95x3 0.375c =x1 x2 x3y1 -0.1212 0.2807 0.4444d =u1y1 0Continuous-time model.V =-0.8250 -2.8875 -2.0625-0.9500 -5.7000 -4.75000.3750 2.8125 4.6875由上可得，模态标准型：模态标准型的变换矩阵为：(4)伴随矩阵标准型运行以下m-程序可得到伴随矩阵标准型系数矩阵和其变换矩阵：>> [G1,V]=canon(G,'companion')a =x1 x2 x3x1 0 0 -12.5x2 1 0 -20x3 0 1 -8.5b =u1x1 1x2 0x3 0c =x1 x2 x3y1 0 0 1d =u1y1 0Continuous-time model.V =1.0000 8.5000 20.00000 1.0000 8.50000 0 1.0000由上可得，伴随矩阵标准型：模态标准型的变换矩阵为：2．根据所给系统的已知条件（可自行参阅选择刘豹教材中的例题或习题），如（A、B、C、D）模型，判断其可控性和可观测性并进行可控性和可观测性分解。
自动控制原理的MATLAB仿真与实践第9章 基于simulink的系统建模与仿真分析
（1）提高开环增益可以提高系统的稳定精度和快速性，
能够减小静态误差，但是却不能从根本上消除静差。
（2）若比例系数过大，也会使系统产生较大的超调，
使振荡次数增多，调节时间加长，甚至可能造成系统
的不稳定；
（20131.0）5 若比例系数过小，系统会动作迟缓。
36
9.4.2 比例积分（PI）控制
比例积分控制的传递函数：
果将显示在模型中的输出模块中。
注意： （1）对于循环运行的模型，若在仿真过程中需要终止 时，可选择Simulation下拉菜单中的Stop。 （2）如果输出模块为示波器scope，则在运行结束后 双击scope模块，即可显示运行结果。
2011.05
9
9.2 Simulink模块库及其分类
9.2.1 输入模块 9.2.2 输出模块 9.2.3 功能运算模块
（2）命令方式 在命令窗口中键入“simulink”后回车。
2011.05
4
2.模块库的打开
（1）用鼠标左键单击类模块库列表。Simulink浏 览器右边窗口会显示该模块库中的全部子模块。
（2）用鼠标选择右侧的类模块图，标双击左键会 直接显示其所有子模块；或者，单击鼠标右键并单 击确认，则会弹出一个子模块窗口。
2011.05
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9.2.3 功能运算模块
1.连续型模块Continuous：显示指定模块的输出 数值。常用模块有：
（1）
微分环节。其输出为其输入信号的微分。
（2）
积分环节。其输出为其输入信号的积分。
（3）
分子分母为多项式形式的传递函数。
（4）
零极点增益形式的传递函数。
2011.05
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2.数学运算模块Math，该库中模块的功能就是将输 入信号按照模块所描述的数学运算函数计算，并把运算 结果作为输出信号输出。
控制系统建模与仿真基于MATLABSimulink的分析与实现
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
实现
通过
仿真
技术
进行
分析
方法
分析
matlabsi mulink
仿真
系统
simulink
实现
介绍
工程
精彩摘录
精彩摘录
《控制系统建模与仿真基于MATLABSimulink的分析与实现》精彩摘录 随着科技的发展和社会的进步，控制系统在各个领域中的应用越来越广泛， 掌握控制系统的建模与仿真技术对于科学研究、工程实践等方面都具有重要意义。 而《控制系统建模与仿真基于MATLABSimulink的分析与实现》这本书，正是为满 足这一需求而编写的。
阅读感受
而真正让我感到震撼的是第4章到第8章的内容。作者利用MATLAB强大数据处 理、绘图函数和Simulink仿真工具，对被控对象模型进行了系统建模、分析、计 算、性能指标的优化及控制器设计。从时域、频域、根轨迹、非线性及状态空间 几个方面，完成了对系统性能指标的验证及控制系统设计。这其中的细节和深度， 都足以显示作者对这一领域的深入理解和实践经验。
目录分析
在“仿真技术”部分，目录涵盖了控制系统仿真的基本原理、仿真模型的建 立、参数设置以及仿真结果的分析等内容。还介绍了如何利用MATLABSimulink进 行仿真，使得读者能够快速上手这一强大的仿真工具。
目录分析
“应用实例”部分通过多个具体的案例，展示了如何将建模与仿真技术应用 于实际控制系统。这些案例既有简单的单输入单输出系统，也有复杂的非线性多 输入多输出系统，具有很高的实用价值。
用MATLAB分析状态状态空间模型
a =
x1 x2 x3
x1 -6 -1.375 -0.09375
x2 8 0 0
x3 0 8 0
b =
u1
x1 0.25
x2 0
x3 0
c =
x1 x2 x3
y1 0 0 0.375
d =
u1
y1 0
（3）将给定传递函数转换为对角标准型或约当标准型。再将得到的对角标准型或约当
标准型用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。
（3）A=[0 1 0 0;0 -1 1 0;0 0 -1 1;0 0 0 -3];B=[0 0 0 2]';C=[2 0 0 0];D=0;
sys=ss(A,B,C,D);[V,J]=jordan(A);sys1=ss2ss(sys,inv(V))
x2 0 -1 10
x3 0 0 -1 1
x4 0 0 0 -3
b =
u1
x1 0
x2 0
x3 0
x4 2
c =
x1 x2 x3 x4
y1 2 0 0 0
d =
u1
y1 0
Gtf=tf(Gss)
Transfer function:
4
-------------------------
s^4 + 5 s^3 + 7 s^2 + 3 s
（2）用ss2ss函数进行相似变换将其转换为对角标准型。
>> A=[-6 -1.375 -0.09375;8 0 0;0 8 0];B=[0.25 0 0]';C=[0 0 0.375];D=0;
基于MATLABSimulink的控制系统设计与仿真
基于MATLABSimulink的控制系统设计与仿真控制系统设计是现代工程领域中至关重要的一部分，它涉及到对系统动态特性的分析、建模、控制器设计以及系统性能评估等方面。
MATLAB Simulink作为一款强大的工程仿真软件，在控制系统设计与仿真领域有着广泛的应用。
本文将介绍基于MATLAB Simulink的控制系统设计与仿真过程，包括系统建模、控制器设计、性能评估等内容。
1. 控制系统设计概述控制系统是通过对被控对象施加某种影响，使其按照既定要求或规律运行的系统。
在控制系统设计中，首先需要对被控对象进行建模，以便进行后续的分析和设计工作。
MATLAB Simulink提供了丰富的建模工具和仿真环境，可以帮助工程师快速准确地建立系统模型。
2. 系统建模在MATLAB Simulink中，可以利用各种不同的模块来构建系统模型，如传感器、执行器、控制器等。
通过简单拖拽这些模块并连接起来，就可以构建出完整的系统结构。
同时，Simulink还支持连续系统和离散系统的建模，可以方便地进行时域和频域分析。
3. 控制器设计控制器是控制系统中至关重要的一部分，它根据系统反馈信息对输出信号进行调节，以实现对被控对象的精确控制。
在MATLAB Simulink中，可以使用各种不同类型的控制器设计工具，如PID控制器、状态空间反馈控制器等。
通过这些工具，工程师可以快速设计出符合系统要求的控制器。
4. 性能评估在完成控制器设计后，需要对系统性能进行评估。
MATLAB Simulink提供了丰富的仿真功能，可以对系统进行动态响应、稳定性、鲁棒性等方面的评估。
通过仿真结果，工程师可以及时发现问题并进行调整优化。
5. 实例分析为了更好地说明基于MATLAB Simulink的控制系统设计与仿真过程，我们以一个温度控制系统为例进行分析。
首先建立被控对象的数学模型，然后设计PID控制器，并利用Simulink进行仿真验证。
最后根据仿真结果对系统性能进行评估，并进行必要的调整。
如何使用Matlab进行控制系统仿真
如何使用Matlab进行控制系统仿真概述控制系统在工程领域中扮演着重要角色，它用于控制和管理各种工程过程和设备。
而控制系统仿真则是设计、开发和测试控制系统的关键环节之一。
Matlab作为一种功能强大的工程计算软件，提供了丰富的工具和功能，可以帮助工程师进行控制系统仿真。
本文将简要介绍如何使用Matlab进行控制系统仿真，以及一些实用的技巧和建议。
1. Matlab的基础知识在开始控制系统仿真之前，有一些Matlab的基础知识是必要的。
首先，了解Matlab的基本语法和命令，熟悉Matlab的工作环境和编辑器。
其次，学会使用Matlab的集成开发环境（IDE）进行编程和数学建模。
熟悉Matlab的常用函数和工具箱，并了解如何在Matlab中导入和导出数据。
2. 定义系统模型在进行控制系统仿真之前，需要定义系统的数学模型。
根据具体情况选择合适的建模方法，如传递函数、状态空间或差分方程等。
在Matlab中，可以使用tf、ss 或zpk等函数来创建系统模型，并指定系统的参数和输入信号。
此外，Matlab还提供了Simulink这一强大的图形化建模环境，方便用户以图形化界面设计系统模型。
3. 设计控制器控制系统仿真的关键是设计合适的控制器，以实现所需的控制目标。
Matlab提供了各种控制器设计方法和工具，如PID控制器、根轨迹法、频域方法等。
用户可以使用Matlab的Control System Toolbox来设计和分析控制器，并在仿真中进行验证。
此外，Matlab还支持自适应控制和模糊控制等高级控制方法，可根据具体需求选择合适的方法。
4. 进行仿真实验在完成系统模型和控制器设计后，可以开始进行控制系统仿真实验。
首先，确定仿真实验的输入信号，如阶跃信号、正弦信号或随机信号等。
然后，使用Matlab中的sim函数将输入信号应用到系统模型中，并观察系统的输出响应。
通过调整控制器参数或设计不同的控制器，分析系统的性能和稳定性，并优化控制器的设计。
第三章 matlab的simulink建模与仿真
nonlinear control
4、提供仿真库的扩充和定制功能
5、应用领域
通信与卫星系统 航空航天
生物系统
汽车系统
船舶系统
金融系统
3、simulink在matlab家族中的位置
Stateflow Blockset Toolboxes coder RTW compiler
simulink MATLAB
第三章 matlab的simulink建模 与仿真
3.1 绪论
一、系统与模型
1、系统
系统是指具有某些特定功能，相互联系、相互作 用的元素集合。 系统的两个基本特征：整体性、相关性
对系统的研究从以下三个方面入手：
1）实体：组成系统的元素，对象
2）属性：实体的特征
3）活动：系统状态变化的过程
系统仿真是研究系统的一种重要手段，而系统模 型是仿真所研究的直接对象。 2、系统模型 实体模型：根据相似性建立 模型 数学模型:原始系统数学模型；仿真系统数学模型
连续系统的输入输出方程为： y(t ) u(t ) sin u(t ) u(t)与y(n)的数学关系为： u(t ) y(n), nTs t (n 1)Ts 整个系统的方程描述：
y (t ) u (n) n / 2, n 1,2,3... y (n) u (n) 1, y (n) sin( y (n)),n t n 1
Function&Tables（函数与表库）
表数据选择器（从表中选择数据） 求取输入信号的数学函数值 对输入信号进行内插运算 输入信号的一维线性内插 输入信号的二维线性内插
输入信号的n维线性内插
M函数（对输入进行运算输出结果） 多项式求值 查找输入信号所在范围 S-函数模块 S-函数生成器
用MATLAB分析状态空间模型
用MATLAB分析状态空间模型状态空间模型是一种用于描述动态系统的数学模型。
在MATLAB中，可以使用状态空间方法对系统进行分析和控制。
本文将从状态空间模型的定义、矩阵表示、稳定性以及控制器设计等方面进行详细介绍。
一、状态空间模型的定义状态空间模型是一种描述动态系统的数学模型，其中系统的行为是通过状态变量的演化来表示的。
状态空间模型通常由一组一阶微分方程表示，形式如下：dx(t)-------------------=Ax(t)+Bu(t)dty(t)=Cx(t)+Du(t)其中，x(t)是状态变量向量，表示系统的内部状态；u(t)是输入向量，表示对系统的外部输入；y(t)是输出向量，表示观测到的系统输出；A、B、C和D分别是系统的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵和直接传递矩阵。
二、状态空间模型的矩阵表示在MATLAB中，可以使用矩阵表示状态空间模型。
假设有一个由状态变量x、输入变量u和输出变量y组成的系统，可以通过矩阵表示如下：x'=Ax+Buy=Cx+Du其中，x'表示状态变量x的导数。
在MATLAB中，可以使用matrix函数创建状态矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C和直接传递矩阵D。
例如，可以使用如下代码定义一个状态空间模型：A=[12;34];B=[1;1];C=[10];D=0;sys = ss(A, B, C, D);在上述代码中，创建了一个状态空间模型sys，其中状态矩阵A是一个2×2的矩阵，输入矩阵B是一个2×1的矩阵，输出矩阵C是一个1×2的矩阵，直接传递矩阵D是一个标量。
三、状态空间模型的稳定性分析在控制系统设计中，稳定性是一个重要的指标。
对于线性时不变系统，可以使用状态空间模型进行稳定性分析。
MATLAB提供了一些函数用于稳定性分析，如eig、pole和isstable等。
eig函数用于计算系统的特征值，特征值的实部决定了系统的稳定性。
MATLAB第九章 Simulink动态仿真
数值仿真与MATLAB
第九章 Simulink动态仿真
第九章 Simulink动态仿真
9.1 Simulink 基本操作 利用Simulink进行系统仿真的步骤是： ① 启动Simulink，打开Simulink模块库 ② 打开空白模型窗口； ③ 建立Simulink仿真模型； ④ 设置仿真参数，进行仿真； ⑤ 输出仿真结果。
数值仿真与MATLAB
9.1.2 建立Simulink仿真模型 a) 打开Simulink模型窗口(Untitled) b) 选取模块或模块组 在 Simulink 模 型 或 模 块 库 窗 口内，用鼠标左键单击所需 模块图标，图标四角出现黑 色小方点，表明该模块已经 选中。 c) 模块拷贝及删除 在模块库中选中模块后，按 住鼠标左键不放并移动鼠标 至目标模型窗口指定位置， 释放鼠标即完成模块拷贝。 模块的删除只需选定删除的 模块，按Del键即可。
数值仿真与MATLAB
第九章 Simulink动态仿真
9.2.1 Simulink模块库 3. Continuous 库
③
：分子分母为多项式形式的传递函数。
➢ 双击该模块，弹出传递函数的参数对话框，设置框图中的参 数后，该传递函数显示如下：
数值仿真与MATLAB
第九章 Simulink动态仿真
9.1.2 建立Simulink仿真模型
f) 模块的连接
模块之间的连接是用连接线将一个模块的输出端与另一模块 的输入端连接起来；也可用分支线把一个模块的输出端与几 个模块的输入端连接起来。
连接线生成是将鼠标置于某模块的输出端口(显一个十字光 标) ，按下鼠标左键拖动鼠标置另一模块的输入端口即可。 分支线则是将鼠标置于分支点，按下鼠标右键，其余同上。
第九章 状态空间分析方法 matlab simulink与控制系统仿真 第三版 课件
用 e At 左乘上式两边
t
x(t)eAtx(0) eA(t)B(u )d (9-54)
0
则式（9-54）可以写成
t
x (t) Φ (t)x (0 ) (t)B u ()d (9-55) 0
41
讨论非齐次状态方程的拉氏变换解法
s x (s ) x 0 A (s ) x B s u x ( s ) ( s I A ) 1 x 0 ( s I A ) 1 B s u
(4) [ (t)]k (kt)
32
性质3
图9-8 状态转移特性
33
例9-5
设系统的状态方程为
x1 x2
0 0
1 0
x1 x2
试求状态转移矩阵。
34
解：
求状态转移矩阵为
(t) e A t I A t 1A 2 t21A k tk
2 !
k !
其中
0 A 0
1 0
, A2
A3
I A A2
Ak
s s2 s3 sk1
30
最终得到
x(t)eAtx(0) (t)x(0)
（9-41）
式中
teA t expA t
• 与前一种解法所得结果一致。
31
状态转移矩阵具有以下性质：
(1) (0)I
(2) 1(t)(t) ( 3 ) ( t 2 t 1 ) ( t 1 t 0 ) ( t 2 t 0 )
0
0
1
0
0 0
x
,
A
,
B
xn
0 0 0 1 a0 a1 a2 an1
0
（9-19）
15
系统结构图如图所示
用MATLAB分析状态空间模型
可由下列命令输入到MATLAB工作空间中 去 >>num=[1, 5];den=[1,2,3,4,5];G=tf(num,den) Transfer function:
s+5 ----------------------------s^4 + 2 s^3 + 3 s^2 + 4 s + 5
2、状态空间模型的输入
Ax Bu x y Cx Du
>>A=[a11,a12,…,a1n;a21,a22,…,a2n;…;an1, …,ann]; >>B=[b0,b1,…,bn]; >>C=[c1,c2,…,cn]; >>D=d; 构造状态空间模型 >>ss(A,B,C,D)
例2.7.2 双输入双输出系统
2.25 2.25 x 0.25 1.25 0 0 y 0 2 0.5 4 2 4.25 1.25 0.25 x 2 0.5 1.25 1 1.75 0.25 0.75 0 0 1 x 0 2 5 1.25 6 4 u 2 2
Transfer function: s^2 - 3 --------------------s^4 - 5 s^2
同理由ss()函数可立即给出相应的状态空 间模型。
例2.7.4 考虑下面给定的单变量系统传递 函数 3 2
s 7 s 24 s 24 g( s ) 4 s 10 s 3 35 s 2 50 s 24
x1 x2 x3 x4 y1 0 0 0 1 y2 0 2 0 2 d= u1 u2 y1 0 0 y2 0 0 Continuous-time model.
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状态空间分析方法
1
5. 熟练掌握可逆线性变换矩阵的构成方法, 能将可控系统 化为可控标准形。能对不可控系统进行可控性分解。
6. 正确理解对偶原理, 会将原系统的有关可观测性的问题 转化为对偶系统的可控性问题来研究。
7. 正确理解单变量系统零、极点对消与动态方程可控、 可观测的关系。熟练掌握传递函数的可控性标准形实 现、可观性标准形实现的构成方法。
X t
x n t
： 状态空间 由 X (t张) 成的n维向量空间。
对于确定的某个时刻，状态表示为状态空间中一 个点，状态随时间的变化过程，构成了状态空间 中的一条轨迹。
9
例9-2
• 设一RLC网络如图所示。 回路方程为
e(t)Ri(t)Ldd i(tt)C 1i(t)dt
图9-2 RLC网络
ut,t 0时就可确定系统的行为。
选取状态变量
x 1 y ,x 2 y ,,x n y n 1
13
x1 x2 x2 x3 x n1 x n x n a 0 x 1 a 1 x 2 a n 1 x n u （9-17）
14
或写成
xA xB x
0 1 0 0 0
x1
x2
q
1
dq2
d
qp
24
图9-7 系统结构图
25
三、线性定常系统状态方程的解
1、齐次状态方程的解
齐次向量微分方程
xAx
（9-28）
方程的解为
x ( t) b 0 b 1 t b 2 t2 b k tk
式中 bi (i0,1,2)均为列向量。
（9-29）
26
将 x ( t ) 代入方程 xAx
状态方程为 写成
x1 x2
x2 2x1 2x2 2u
x x1 2 02 21 x x
x1 x2
图9-4 例9-3系统的结构图
19
多输入-多输出系统
图9-6 多变量系统
20
x 1 a 1 x 1 1 a 1 x 2 2 a 1 n x n b 1 u 1 1 b 1 p u p x 2 a 2 x 1 1 a 2 x 2 2 a 2 n x n b 2 u 1 1 b 2 p u p
0
0
1
0
0 0
x
,
A
,
B
xn
0 0 0 1 a0 a1 a2 an1
0
（9-19）
15
系统结构图如图所示
图9-3
16
例9-3
考虑用下列常微分方程描述的系统
y2y2y2u
输入为 u ，输出为y 。 试求系统的状态方程和输出方程。
17
解：
取状态变量 x1 y,x2 y
A
a
2
1
a22
a
2
n
B
b
2
1
b22
b2
p
a
n1
an2
a
nn
bn
1
bn 2
bnp
22
输出变量方程
y 1 c 1 x 1 1 c 1 x 2 2 c 1 n x n d 1 u 1 1 d 1 p u p y 2 c 2 x 1 1 c 2 x 2 2 c 2 n x n d 2 u 1 1 d 2 p u p
可得
b 1 2 b 2 t k k t k 1 b A ( b 0 b 1 t b k t k )
方程两边系数必相等, 即
b1 A b0
b2
1 2
A b1
1 2
A 2b0
b3
1 3
A b2
1 3
2
x 2
1 c
x1
写成
x
R L
1
C
1 L 0
x
1 L 0
u
12
二、系统的状态空间表达式
单输入-单输出线性定常系统
y n a n 1 y n 1 a n 2 y n 2 a 0 y u
若给出 (t=0) 时的初值y(0) 、y(0) 、… 、y(n1)(0) 和
10
选择状态变量
x1(t)i(t), x2(t) i(t)dt
则有
R1 1
x1Lx1LCx2Le
x2 x1
写成
R
x
L
1 CL
x
1 L u
1 0 0
输出
y(t)c(t)C 1 x2
0
1 C
x
11
若选另一组状态变量
x1(t)i(t) ,
1 x2(t) C
i(t)dt
则有
x1R Lx1L 1x2L 1e(t)
………
x n a n 1 x 1 a n 2 x 2 a n x n n b n 1 u 1 b n u p p
x1,x2,,xn 为状态变量；
u1,u2,,up
y1, y2,, yq
为输入量； 为输出变量。
21
矩阵形式：
xAxΒu
式中
a11 a12 a1n
b11 b12 b1 p
8. 正确理解状态反馈对可控性、可观性的影响, 正确理解 状态反馈可任意配置闭环极点的充要条件。
5
9. 熟练掌握全维状态观测器的公式和设计方法, 熟练 掌握由观测器得到的状态估计值代替状态值构成的 状态反馈系统, 可进行闭环极点配置和观测器极点 配置。
10. 正确理解系统齐次方程渐近稳定和系统BIBO稳定的 概念, 熟练掌握判别渐近稳定的方法和判别系统 BIBO稳定的方法。
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一、状态空间的基本概念
状态：动力学系统的状态可以定义为信息的集合。
已知 t 0时状态， t 时t0的输入，可确定
时任一变量的运动状况。
t t0
： 状态变量 确定动力学系统状态的最小一组变
量
。 x1(t) , ,xn(t)
8
状态向量：
x1 t
x
2
t
如果完全描述一个给定系统的动态行 为需要n个状态变量，那么状态向量 定义为X(t)。
11. 正确理解李雅普诺夫方程正定对称解存在的条件和 解法, 能通过解李雅普诺夫方程进行稳定性分析。
6
9-1 状态空间方法 基础
• 在经典控制理论中，用传递函数来设计和分析单 输入、单输出系统。
• 在现代控制理论中，用状态变量来描述系统。采 用矩阵表示法可以使系统的数学表达式简洁明了， 为系统的分析研究提供了有力的工具。
……….
y q c q 1 x 1 c q 2 x 2 c q x n n d q 1 u 1 d q u p p
23
yCxDu
式中
c11 c12 c1n
d11 d12 d1p
C
c
2
1
c22
c
2
n
D
d
2
1
d 22
d
2
p
c
q
1
cq2
cqn
d